制备具有核壳结构的软磁复合材料的方法

文档序号：1650408 发布日期：2019-12-24 浏览：33次 >En<

阅读说明：本技术 制备具有核壳结构的软磁复合材料的方法 (Method for preparing soft magnetic composite material with core-shell structure ) 是由屈云鹏高启龙刘峣孙蕾于 2018-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种制备具有核壳结构的软磁复合材料的方法,包括以下步骤：向磁性金属粉中加入第一醇类溶剂,搅拌均匀；向所述磁性金属粉与所述第一醇类溶剂的混合物中加入碳原子数为12至18的包含一个烯键的不饱和脂肪酸,进行超声处理；搅拌下,向超声处理后的混合物中加入pH调节溶液和第二醇类溶剂,得到表面处理混合物；搅拌下,向所述表面处理混合物加入正硅酸乙酯,得到具有核壳结构的软磁复合材料。所述方法在磁性金属粉表面形成厚度可控的非晶SiO<Sub>2</Sub>包覆层,从而提供磁损耗低、可高温热处理的软磁复合材料。(The invention relates to a method for preparing a soft magnetic composite material with a core-shell structure, which comprises the following steps: adding a first alcohol solvent into the magnetic metal powder, and uniformly stirring; adding an unsaturated fatty acid containing one ethylenic bond with the carbon number of 12-18 into the mixture of the magnetic metal powder and the first alcohol solvent, and carrying out ultrasonic treatment; adding a pH adjusting solution and a second glycol solvent to the ultrasonically treated mixture under stirring to obtain a surface-treated mixture; and adding tetraethoxysilane into the surface treatment mixture under stirring to obtain the soft magnetic composite material with the core-shell structure. The method forms amorphous SiO with controllable thickness on the surface of magnetic metal powder 2 And a cladding layer, thereby providing a soft magnetic composite material with low magnetic loss and high temperature heat treatment capability.)

制备具有核壳结构的软磁复合材料的方法

技术领域

本发明涉及一种制备软磁复合材料的方法，特别涉及一种制备具有核壳结构的软磁复合材料的方法。

背景技术

磁性金属基软磁复合材料(又称磁粉芯)具备高磁感应强度、高磁导率、低矫顽力和低损耗的性能特点，在电气、计算机、通讯等领域有着诱人的应用前景。随着地球能源紧缺，减少能源损耗成为一种紧迫的要求，因此软磁复合材料的低损耗对于替代目前的电机定子等应用有着非常大的优势。

磁粉芯种类繁多，常见的有铁粉芯、铁镍磁粉芯、铁硅铝磁粉芯、铁镍钼磁粉芯、铁硅镍磁粉芯等。最早研究的是铁粉芯，铁粉芯的优势在于压型性好、饱和磁感应强度高和有效磁导率高，并且成本很低，十分适合工业生产应用。但是铁粉芯电阻率低，在交流电场下工作，涡流损耗过大，磁损耗高，高频性能差。

为解决铁粉芯涡流损耗高的缺点，进行有效的绝缘包覆是关键。现在常见的包覆方式分为有机包覆和无机包覆。有机包覆包括用环氧树脂、酚醛树脂和硅酮树脂等有机材料进行包覆，但是在后续工艺进行退火释放应力时，有机包覆层容易分解，导致包覆失效。无机包覆包括用磷酸盐和无机氧化物等无机材料进行包覆，优点是无机包覆层熔点高，热稳定性好。因此，采用无机包覆具有更好的前景。

中国发明专利1051495574A公开了一种通过在高温下表面渗氮，在铁粉表面生成一层厚度可控的Fe₄N的包覆层。Fe₄N包覆层可以提高材料的电阻率，降低高频下涡流损耗，同时可以使磁粉芯保持较好的磁学性能。但是该方法工艺复杂，耗能较高，不符合现在节能减排的初衷。

中国发明专利101996723A中，采用控制氧化法在铁粉表面成一层Fe₃O₄壳层，用硅树脂进行粘结压制成型。该方法制备出的磁粉末饱和磁化强度较高，磁粉芯具有较好的内禀磁性能。但是该方法需要在低真空的可控氧化炉内进行，成本较高。

可以发现目前研究的重点集中于寻找不同的包覆层材料和包覆方法，很少有研究重点在于如何精确地控制包覆层厚度，了解包覆层厚度和软磁材料性能的关系。本发明采用优化的正硅酸乙酯水解法在铁粉表面生成一层厚度可控的非晶SiO₂包覆层，并通过调整各参数来提供一种包覆层厚度可控的包覆方法。

发明内容

本发明提供一种制备具有核壳结构的软磁复合材料的方法，通过对磁性金属粉进行表面处理，并通过优化的正硅酸乙酯水解法与磁性金属粉形成包覆层厚度可控的核壳结构。根据本发明的方法能提供磁损耗低，可高温热处理的磁粉芯复合材料。

根据本发明的一个方面，提供一种制备具有核壳结构的软磁复合材料的方法，包括以下步骤：

向磁性金属粉中加入第一醇类溶剂，搅拌均匀；

向所述磁性金属粉与所述第一醇类溶剂的混合物中加入碳原子数为12至18的包含一个烯键的不饱和脂肪酸，进行超声处理；

搅拌下，向超声处理后的混合物中加入pH调节溶液和第二醇类溶剂，得到表面处理混合物；

搅拌下，向所述表面处理混合物加入正硅酸乙酯，得到具有核壳结构的软磁复合材料。

根据一个

具体实施方式

，所述方法进一步包括，所述软磁复合材料用所述第二醇类溶剂和去离子水清洗，经磁选后，进行真空干燥。

优选地，所述第一醇类溶剂与所述第二醇类溶剂可相同或不同，且各自独立地选自由无水甲醇、无水乙醇、无水丙醇、无水丁醇组成的组。

基于每克所述磁性金属粉，所述第一醇类溶剂的用量为5～15mL。

所述不饱和脂肪酸优选为油酸。

基于每克所述磁性金属粉，所述不饱和脂肪酸的加入量为50～100μL。

根据另一个具体实施方式，基于每克所述磁性金属粉，所述正硅酸乙酯的用量为1～3mL。

所述磁性金属粉选自由铁镍粉、铁硅铝粉、铁镍钼粉、铁硅镍粉组成的组。

所述pH调节溶液为氨水、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、盐酸或磷酸。

附图说明

图1示出了根据实施例1制得的软磁复合材料粉末的扫描电镜EDS分析图片。

具体实施方式

本发明提供了一种制备具有核壳结构的软磁复合材料的方法，包括以下步骤：

向磁性金属粉中加入第一醇类溶剂，搅拌均匀；

向磁性金属粉与所述第一醇类溶剂的混合物中加入碳原子数为12至18的包含一个烯键的不饱和脂肪酸，进行超声处理；

搅拌下，向超声处理后的混合物中加入pH调节溶液和第二醇类溶剂，得到表面处理混合物；

搅拌下，向所述表面处理混合物加入正硅酸乙酯，得到具有核壳结构的软磁复合材料。

上述第一醇类溶剂和第二醇类溶剂可相同或不同，并且独立地可为低级脂肪醇，优选无水低级脂肪醇，例如无水C1-4脂肪醇。具体地，该第一醇类溶剂和第二醇类溶剂分别可为无水甲醇、无水乙醇、无水丙醇、无水丁醇中的一种或多种，进一步优选为无水乙醇。

上述磁性金属粉可选自由铁镍粉、铁硅铝粉、铁镍钼粉、铁硅镍粉组成的组。该铁粉优选为高纯铁粉(例如纯度99％以上的铁粉)。磁性金属粉具有例如为100～200目，优选150～180目的粒径。

第一醇类溶剂与磁性金属粉的使用比例为每克金属粉5～15mL，优选7～10mL的第一醇类溶剂，混合均匀后，能润湿磁性金属粉表面。

上述碳原子数为12至18的包含一个烯键的脂肪酸进一步优选为油酸。基于每克磁性金属粉，该不饱和脂肪酸的加入量为50～100μL，优选60～95μL，更优选65～90μL，最优选70～85μL。

上述不饱和脂肪酸在与磁性金属粉、第一醇类溶剂超声混合之后，其亲水链端将结合到诸如铁粉等磁性金属粉的表面，另一端亲油端将捕获后续加入的正硅酸乙酯(TEOS)分子。被捕获的正硅酸乙酯分子在pH适宜(例如4～7或10～12)的水溶液中水解形成非晶SiO₂。该非晶SiO₂附着于磁性金属粉表面，从而在其上形成包覆层，即形成了核壳结构。

该不饱和脂肪酸用量少于50μL/g金属粉时，将不能充分改性金属粉表面，从而不能在金属粉表面捕获足够的TEOS分子，进而不能在金属粉表面形成足够厚度的包覆层(壳层)。该不饱和脂肪酸用量高于100μL/g金属粉时，捕获过多的TEOS分子，使得部分被捕获的TEOS分子不能充分水解，或者在金属粉表面形成过厚的包覆层(壳层)，造成磁性能下降过大。

在本发明中，可使用常规的pH调节溶液来调节体系的pH值。例如，用于将进行表面处理的混合物的pH调节为4～7或10～12。优选地，可使用氨水、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的一种或多种作为上述pH调节溶液，可将体系pH调节至10～12，优选11。更优选地，使用氨水作为上述pH调节溶液。或者，可使用盐酸、磷酸中的一种或多种作为上述pH调节溶液，可将体系pH调节至4～7，优选5。更优选地，使用稀盐酸作为上述pH调节溶液。

向包含上述pH调节溶液和第二醇类溶剂的表面处理混合物加入正硅酸乙酯，使得正硅酸乙酯在上述适宜的pH范围内水解生成非晶SO₂。基于每克磁性金属粉，正硅酸乙酯的用量为1～3mL，优选1.5～2.5mL，更优选2mL。若正硅酸乙酯的用量低于1mL/g金属粉，则不能在金属粉表面形成有效包覆层；若正硅酸乙酯的用量大于3mL/g金属粉，则被捕获的正硅酸乙酯不能充分水解，或者造成水解产生的非晶SO₂包覆层厚度过大，不能精确控制包覆层厚度。

根据一个具体实施方式，正硅酸乙酯的水解温度可在20～40℃的范围内，优选25～35℃，更优选30℃。

第二醇类溶剂的用量可与第一醇类溶剂相同，即可为每克金属粉5～15mL第二醇类溶剂，优选7～10mL的第二醇类溶剂。

根据本发明的另一具体实施方式，根据本发明的软磁复合材料进一步用上述第二醇类溶剂和去离子水清洗，经磁选后，进行真空干燥。真空干燥步骤可在常规条件下进行，例如0.01MPa，60～80℃。

根据上述方法制备的软磁复合材料具有核壳结构，在核心的磁性金属粉表面形成厚度可控的壳层，即非晶SiO₂包覆层，由此获得壳层厚度在1～5μm，优选2～4μm范围内的具有核壳结构的软磁复合材料。该软磁复合材料具有优异的磁性能，磁损耗低，并且可高温热处理。

为了更好地阐述本发明，下面给出本发明的示例性实施例:

实施例1

1.称量20g高纯(>99％)铁粉，用无水乙醇清洗，然后加入200mL无水乙醇。